Глава 16. Силовые электронные устройства

16.1. Преобразование переменного тока в постоянный

Современные электротехнические устройства (ЭТУ) содержат большое число полупроводниковых приборов (различных типов диодов, транзисторов, тиристоров, интегральных микросхем), устройств отображения информации, фотоэлементов. Нормальная работа этих и других приборов, а также выполненных на их основе функциональных узлов связана с потреблением электрической энергии в большинстве случаев постоянного и реже переменного токов.

Для обеспечения работоспособности подобной аппаратуры используют источники вторичного электропитания (ИВЭП), которые преобразуют напряжение первичной системы электроснабжения в напряжение требуемого уровня, рода тока и повышают качество напряжения постоянного тока.

Одним из функциональных узлов ИВЭП являются выпрямители. Это объясняется, с одной стороны, тем, что большинство первичных источников вырабатывают электрическую энергию в виде переменного тока (115, 127, 220 и 380 В), промышленной (50 Гц) и повышенной (400, 1000 Гц) частоты. С другой стороны, электронные функциональные узлы ЭТУ требуют для нормальной работы напряжение постоянного тока различного уровня (от десятых долей вольта до десятков тысяч вольт) и часто самого высокого качества (высокая стабильность, малая пульсация выходного напряжения и др.).

Методы и способы преобразования переменного тока в постоянный.

В настоящее время преобразование переменного тока в постоянный при непосредственной передаче электрической энергии от первичного источника потребителю осуществляется путем применения полупроводниковых диодов.

Однотактное преобразование. Пусть имеется генератор напряжения переменного тока u₂ = U_2m sinωt с внутренним сопротивлением, равным нулю. Подключим к этому генератору через ключ S нагрузку (рис. 202,а) и рассмотрим преобразование рода тока в течение одного периода приложенного напряжения.

Если в течение первого полупериода 0 ≤ ωt ≤ π (рис.202,б) ключ S замкнут (рис. 202, а), а в течение второго полупериода π ≤ ωt ≤ 2π он разомкнут, то в нагрузке будет протекать ток i₀ только в первом полупериоде и в одном направлении и на нагрузке будет выделяться напряжениеU_н, полярность которого показана на рис. 202, а. При активном характере нагрузки формы напряжения u_н и тока i₀ совпадают и соответствуют форме преобразуемого напряжения u₂. Так как этот процесс повторяется каждый период, то на нагрузке будет наблюдаться пульсирующее (как и ток i₀) напряжение постоянного тока. Это напряжение представляет собой периодическую функцию времени, которая удовлетворяет условиям разложения в ряд Фурье, и, следовательно, его можно представить в виде суммы постоянной составляющей U₀ (среднее значение) и ряда гармонических составляющих (пульсации).

Таким образом, для однотактного преобразования необходимо, чтобы ключ синхронно с частотой первичного источника подключал нагрузку к генератору на время одной полуволны напряжения переменного тока.

Рис. 202

Однотактное преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока характеризуется следующими особенностями:

• на нагрузке получается пульсирующее напряжение;

• частота появления импульсов тока в нагрузке равна частоте преобразуемого напряжения;

• за период преобразуемого напряжения через источник и нагрузку проходит только один импульс тока и в одном направлении.

• Двухтактное преобразование. Как и в первом случае, нагрузка подключается к генератору напряжения переменного тока, но так, чтобы с помощью синхронных ключей можно было коммутировать ток в нагрузке в зависимости от полярности u₂. При этом для получения напряжения на нагрузке используется каждый полупериод переменного тока.

• Двухтактное преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (рис. 204) характеризуется следующими особенностями:

• за период преобразуемого напряжения через нагрузку и источник проходят два импульса, причем через нагрузку – в одном направлении, а через источник – в противоположных направлениях;

• частота появления импульсов тока в нагрузке и, следовательно, частота первой гармоники пульсации выпрямленного напряжения в два раза выше частоты преобразуемого напряжения.

Этот способ преобразования позволяет получать более качественное напряжения на нагрузке.

Устройство, реализующее метод одно- и двухтактного преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, называется выпрямителем. При этом различают неуправляемые и управляемые выпрямители.

При технической реализации любого способа преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока в качестве ключей S используются диоды и тиристоры.